1.
Co to jest grafika komputerowa, przetwarzanie i rozpoznawanie
obrazu?
a). Grafika komputerowa – tworzenie obrazow na podstawie informacji
opisowej
- szerokie zastosowania
- rozna zlozonosc programow i nakladow obliczeniowych koniecznych
do utworzenia obrazu
- wykresy funkcji
- kompozycje obrazow
- sceny w symulatorach
b). Przetwarzanie obrazu – dotyczy zagadnien, w ktorych dane wejsciowe
i wyjsciowe maja postac obrazow
- usuwanie zaklocen, poprawa jakosci obrazu
- filtrowanie obrazu
- kompresja danych obrazowych
- redukcja obrazu do konturow
- redukcja obrazu konturowego do figur kreskowych
- tworzenie przekrojow obrazu
c). Rozpoznawanie obrazu – tworzenie opisu obrazu, zakwalifikowanie
obrazu do pewnej szczegolnej klasy.
- odwrotnosc grafiki komputerowej
- w wyniku analizy obrazu powstaje opis matematyczny, ciag symboli
lub graf
- dalsze przetwarzanie danych opisowych pozwala na wyciaganie
wnioskow analitycznych
2. Klasy danych obrazowych.
- 4 klasy danych obrazowych
- podzial odnosi sie do sposobu reprezentacji (opisu) nie do tresci
wizualnej
−
rozne metody i algorytmy przetwarzania dla kazdej klasy
KLASA 1. Obrazy realistyczne monochromatyczne i kolorowe
- dokladnie odzwierciedlaja rzeczywistosc
- reprezentowane jako macierze pamieci
- elementy obrazu (pixele) sa komorkami macierzy
- rozne struktury komorek macierzy np.
- 1 bajt na element obrazu
−
1 bajt na kazdy z 3 kolorow podstawowych (True Color)
KLASA 2. Obrazy binarne
- obrazy monochromatyczne – czarno-biale (tekst)
- element obrazu opisywany przez 1 bit
- reprezentowane jako macierze pamieci lub mapy bitowe
- brak standardowego sposobu grupowania bitow w bajt a bajtow w
slowo w pamieci systemu graficznego
KLASA 3. Linie proste i krzywe
Przyklady:
- kontury obszarow
- wykresy
- krzywe nieregularne
Reprezentacja danych:
a) wspolrzedne X i Y kolejnych punktow
b) przyrosty
∆
X i
∆
Y
c) kody lancuchowe, w ktorych wektor laczacy dwa kolejne punkty jest
okreslony jednym symbolem ze skonczonego zbioru symboli
przyrosty:
∆
X {0,1,2,3,4} 4 bity/punkt
∆
Y {0,6,7,1,2}
kod lancuchowy: {0,1,2,3,4,5,6,7} 3 bity/punkt
d) roznicowy kod lancuchowy – gdzie reprezentacja kazdego punktu jest
roznica pomiedzy dwoma kolejnymi kodami. Zbior symboli jest
rownie_ 8-elementowy {0, ±1, ±2, ±3, 4}. Lecz prawdopodobienstwo
ich pojawienia sie nie jest takie same. Mozna zatem uzyc kodu o
zmiennej dlugosci.
KLASA 4. Punkty i wieloboki
- klasa najczesciej wykorzystywana w grafice komputerowej
- obraz reprezentowany jest przez wspolrzedne punktow i funkcje
- punkty charakterystyczne polaczone sa liniami prostymi lub krzywymi
opisanymi przez funkcje
- ro norodnosc funkcji i metod opisujacych ksztalt generowanych obiektow
3. Przedstawic za pomoca algorytmu zasade wyznaczania
histogramu rozkladu jasnosci obrazu kolorowego o 24-bitowej
strukturze piksela.
Int hR[256];
Int hG[256];
Int hB[256];
Int hist[256];
Czyszczenie hR, hG, hB, hist
Struct pixel{
Unsigned char r;
Unsigned char g;
Unsigned char b;
};
pixel obraz[K+1][L+1]’
for(i=1;i<=K;i++){
for(j=1;j<=L;j++){
hR[ obraz[I][j].r]++;
----||----dla hG i hB
byte wart_max=max(obraz[i][j].r,obraz[i][j].g,obraz [i][j].b);
byte wart_min=min(obraz[i][j].r,obraz[i][j].g, g,obraz [i][j].b);
hist[(int) (wart_max+wart_min)/2]++;
}
4. Metoda poprawy jakosci obrazu poprzez modelowanie
histogramu.
Modelowanie histogramu ma na celu poprawe jakosci obrazu. Obejmuje
procesy:
1. rozciagania histogramu;
2. wyrownywania histogramu;
3. normalizacji histogramu.
1. Rozciaganie histogramu
Operacji rozciagania histogramu dokonuje sie wowczas, gdy nie pokrywa
on calego zakresu poziomow jasnosci - na histogramie nie wystepuja
bardzo ciemne i bardzo jasne skladowe. Rozciaganie histogramu polega
na takiej konwersji poziomow jasnosci obrazu wejsciowego, by rozklad
poziomow jasnosci na histogramie obrazu wyjsciowego obejmowal
wszystkie poziomy jasnosci.
gdzie:
Hn(z) – histogram obrazu oryginalnego
Gn(v) – histogram obrazu po transformacji T
v=T(z) – transformacja
2. Wyrownywanie histogramu
Celem wyrownania histogramu obrazu jest uzyskanie mozliwie
rownomiernego rozkladu poziomow jasnosci obrazu dla calego jego
zakresu. Skutkiem wyrownania histogramu jest poprawa kontrastu obrazu.
Wyrownanie histogramu pozwala na podkreslenie w obrazie tych
szczegolow, ktore sa malo widoczne z powodu niewielkiego kontrastu.
Nie jest to metoda uniwersalna i w przypadku histogramow o okreslonym
ksztalcie nie daje zadowalajacych rezultatow.
gdzie:
Hn(z) – histogram obrazu oryginalnego
Gn(v) – histogram obrazu po transformacji T
v=T(z) – transformacja
3).Normalizacja histogramu
Operacja normalizacji histogramu zmienia zakres zmiennosci poziomow
jasnosci obrazu wyjsciowego.
gdzie:
Hn(z) – histogram obrazu oryginalnego
Gn(v) – histogram obrazu po transformacji T
v=T(z) – transformacja
5. Metoda poprawy jakosci obrazu poprzez korekcje tonalna.
Korekcja tonalna jest przykladem operacji punktowej. W wyniku
korekcji tonalnej wykonac mozna:
- rozjasnienie obrazu;
- przyciemnienie obrazu;
- obnizenie kontrastu;
- zwiekszenie kontrastu.
Operacje punktowe to takie, dla ktorych wynik operacji dla kazdego
pikselu obrazu zalezy tylko od jego wartosci. Operacje punktowe nie
uwzgledniaja przestrzennych zaleznosci miedzy elementami obrazu.
Krzywa odwzorowania tonow
Krzywa jest wykresem opisujacy zaleznosci pomiedzy wielkoscia
poziomow jasnosci na wejsciu (obraz przed korekcja) a poziomami
jasnosci na wyjsciu (obraz po korekcji). Krzywa odwzorowania tonow
jest poczatkowo linia prosta nachylona pod katem 45°. Na osi poziomej
zaznaczone sa poziomy jasnosci obrazu wejsciowego, a na osi pionowej
poziomy jasnosci obrazu wyjsciowego. Przed korekcja krzywa przypisuje
identyczne poziomy jasnosci obrazowi wejsciowemu i wyjsciowemu. W
trakcie korekcji ksztalt krzywej jest zmieniany.
Krzywa posiada umowne zakresy (obszary) jasnosci:
1. Cienie
2. Tony srednie
3. swiatla
Do korekcji tonalnej obrazow barwnych wygodniej stosowac modele
koloru HLS lub HSB, w ktorych w jawnej postaci wystepuje parametr
okreslajacy jasnosc piksela (L lub B).
Wyrozniamy dwa rodzaje korekcji tonalnej:
- liniowa;
- nieliniowa.
Korekcja tonalna liniowa
Krzywa odwzorowania tonow ma postac linii prostej (lamanej)
nachylonej do osi poziomej pod pewnym katem. Wada korekcji liniowej
jest mozliwosc obciecia pikseli koncowych w obszarze cieni lub swiatel.
Przy rozjasnianiu czesc jasnych pikseli staje sie zupelnie biala (brak
szczegolow w swiatlach obrazu), przy sciemnianiu znikaja szczegoly w
cieniach.
Wolna od tej wady jest korekcja tonalna nieliniowa.
6. Metoda poprawy jakosci obrazu poprzez filtrowanie
przestrzenne.
Filtrowanie przestrzenne
W metodach filtrowania przestrzennego przetwarzaniu podlega
bezposrednio funkcja jasnosci (obraz jest reprezentowany jako macierz
poziomow jasnosci). Funkcje dzialajaca na obraz wejsciowy mozna
opisac wyrazeniem:
[ g(x, y) = T f (x, y)]
gdzie:
f(x,y) - funkcja reprezentujaca obraz wejsciowy;
g(x,y)- funkcja reprezentujaca obraz przetworzony;
T - operator lokalny dzialajacy na okreslonym obszarze obrazu
np.: (3x3, 5x5 lub 7x7 pikseli).
Filtr rozmywajacy (dolnoprzepustowy)
Filtr rozmywajacy stosowany jest glownie w celu ukrycia drobnych
znieksztalcen lub redukowania szumow, powstalych np. w wyniku
skanowania obrazow rastrowych (efekt mory). Filtr rozmywajacy
nazywany jest czesto filtrem dolnoprzepustowym poniewaz przepuszcza
elementy obrazu o malej zmiennosci (czestotliwosci), tlumi natomiast
albo blokuje elementy o wiekszych czestotliwosciach (szumy).
Filtr wyostrzajacy (gornoprzepustowy)
Filtry wyostrzajace (gornoprzepustowe) sa uzywane do wzmocnienia
szczegolow obrazu o duzej zmiennosci. Wykorzystywane sa do
zaakcentowania obiektow w obrazie albo ich identyfikacji. Ujemnym
skutkiem filtracji gornoprzepustowej jest wzmacnianie szumu w obrazie.
Zastosowanie filtrow wyostrzajacych pozwala na osiagniecie wyrazistosci
wiekszej niz w oryginale. Filtry wyostrzajace dzialaja w ten sposob, ze
akcentuja (wzmacniaja) roznice pomiedzy sasiadujacymi ze soba jasnymi
i ciemnymi punktami.
Detekcja krawedzi
Operatory Laplace'a wykrywaja krawedzie we wszystkich kierunkach.
Metody wykrywania krawedzi korzystajace z Laplasjanow daja w efekcie
ostrzejsze krawedzie niz wiekszosc innych metod.
Konturowanie obrazu
Filtry uzywane do wykrywania krawedzi i tworzenia konturu obrazu sa
nazywane filtrami konturowymi. Sa uzywane czesto w procesie
segmentacji obrazu i rozpoznawania ksztaltow obiektow w obrazie.
Dzialaja one na zasadzie gradientowej. Gradient okresla, jak w obrazie
zmieniaja sie jasnosci pomiedzy sasiednimi pikselami. Gradient osiaga
najwieksza wartosc tam, gdzie w obrazie istnieja najwieksze zmiany
jasnosci przy przejsciu od piksela do piksela. Przykladami filtrow
konturowych sa filtry Sobela i filtry Prewitta.
Filtr medianowy sluzy do usuwania zaklocen typu punktowego. Dziala
erozyjnie, co jest zjawiskiem niepozadanym Polega to na tym, ze po
wielokrotnym uzyciu filtru medianowego krawedzie obiektow o roznych
poziomach jasnosci staja sie poszarpane. W wyniku dzialanie filtru
medianowego piksel obrazu wyjsciowego przyjmuje wartosc mediany z
wartosci pikseli obrazu wejsciowego znajdujacych sie w jego otoczeniu.
7. Narysowac przebiegi czasowe sygnalow synchronizacji monitora
rastrowego. Zaznaczyc odcinki czasowe zwiazane z generacja linii
i pieli
Synchronizacja pozioma
1. Horizontal Line Rate
HFreq [kHz]
2. Horizontal Synchronization Width
HSync [
µµµµ
s]
3. Horizontal Back
HBack [
µµµµ
s]
4. Horizontal Front
HFront [
µµµµ
s]
HBack i HFront okreslaja szerokosc aktywnej czesci zobrazowania, czyli lewego i prawego
marginesu.
HBlank czas wygaszania.
HSync czas trwania wysokiego sygnalu w jednym okresie.
HFreq czestotliwosc sygnalu odpowiedzialnego za rysowanie wierszy (1 impuls to 1 wiersz).
Synchronizacja pionowa
1. Horizontal Line Rate
VFreq [Hz]
2. Vertical Synchronization Width
VSync [ms]
3. Vertical Back
VBack [ms]
4. Vertical Front
VFront [ms]
VBack i VFront okreslaja szerokosc gornego i dolnego
marginesu.
VBlank czas wygaszania.
VSync czas trwania wysokiego sygnalu w jednym okresie.
VFreq czestotliwosc sygnalu odpowiedzialnego za rysowanie pojedynczych ekranow.
.
8. Wyznaczyc szerokosc pasma video VBW karty graficznej
generujacej obraz o rozdzielczosci 1280x1024 w trybie
kolejnoliniowym z czestotliwoscia odswiezania obrazu 60Hz. Czasy
wygaszania sa rowne: HBlank=1µs i VBlank=0.667ms
L
HVideo
VBW
HBlank
HFreq
HVideo
K
VActive
HFreq
VBlank
VFreq
VActive
VBW
L
HBlank
HFreq
VBW
L
HBlank
K
VBlank
VFreq
/
1
)
5
;
1
)
5
/
1
)
4
;
1
)
3
1
1
)
2
);
1
(
1
)
1
=
−
=
=
−
=
⋅
+
=
⋅
+
⋅
+
=
Vfreq=(Vactive + Vblank)-1 => Vactive=Vfreq-1 –Vblank = 16ms
Vactive/L = Hfreq-1
Vactive/L = Hvideo + Hblank => Hvideo = Vactive/L – Hblank =14.625
µ
s
VBW = 1/(Hvideo/K) = K/Hvideo = 87.5 MHz
N
A PODSTAWIE INFORMACJI Z PIERSZEGO POTOKU
(
POSREDNIO OD SALOMONA
)
1/V
ACTIVE
=1/VF
REQ
-
VB
LANK
=1/60H
Z
-0,667
MS
=16,667-0,667=16.0
MS
HF
REQ
=L/(VA
CTIVE
)=
1024/16=64
K
H
Z
HV
IDEO
=1/HF
REQ
-HB
LANK
=15.62
µS
-1
µS
=14.62
µS
VBW=K/(HV
IDEO
)=1280/14.62
µS
=87,55
MH
Z
9.Wyznaczyc czestotliwosc synchronizacji poziomej HSync karty
graficznej generujacej obraz o rozdzielczosci 1280x1024 w trybie
kolejnoliniowym z czestotliwoscia odswiezania obrazu 60Hz. Czasy
wygaszania sa rowne: HBlank=1µs i VBlank=0.667ms
1/V
ACTIVE
=1/VF
REQ
-
VB
LANK
=1/60H
Z
-0,667
MS
=16,667-0,667=16.0
MS
HF
REQ
=L/(VA
CTIVE
)=
1024/16=64
K
H
Z
HF
RONT
=HB
ACK
=(10;
20)%
HB
LANK
=
(0,1;
0,2)
ΜS
HS
YNC
=HB
LANK
-2
X
(0,1;
0,2)=
(0,6;
0,8)
ΜS
HS
YNC NALEZY DO PRZEDZIAŁU
(0,6;
0,8)
ΜS
10. Algorym Bresenhama kreslenia odcinka.
Rysowanie odcinka metoda Bresenhama opiera sie na zmiennej decyzyjnej, ktorej
znak decyduje o kolejnym kroku algorytmu. Zmienna okresla kierunek poziomy,
pionowy lub idealnie skosny rysowania kolejnego piksela odcinka. Algorytm dziala na
liczbach calkowitych.
Zalozenia:
- odcinek okreslony przez wspolrzedne poczatku i konca (x0 ,y0) i (xk ,yk);
- x0 < xk ;
- wspolczynnik kierunkowy odcinka spelnia nierownosc: 0<dy/dx £ 1
gdzie: dy = yk - y0
dx = xk - x0
Rysowanie zaczynamy od piksela P0 = (x0 ,y0). Poniewa kat nachylenia odcinka jest
ograniczony do przedzialu [0, 45°], wiec po znalezieniu kolejnego Pi = (xi ,yi) nastepny
piksel wybieramy z posrod tylko dwoch:
Si+1= (xi+1, yi) i Ti+1= (xi+1, yi+1)
Wielkosci s i t sa okreslone rownaniami:
Odejmujac te rownania stronami i mnozac przez dx otrzymujemy:
Poniewa dx > 0, wiec znak di okresla, ktora z wielkosci s i t jest wieksza.
Jesli di > 0, to i za Pi+1 przyjmujemy piksel Ti+1, w przeciwnym razie,
jeeli di < 0, wybierzemy piksel Si+1. Rownosc di = 0 oznacza, ze oba
piksele Si+1 i Ti+1 leza w tej samej odleglosci od odcinka i wtedy mozemy
arbitralnie decydowac, np., ze Pi+1 = Ti+1.
Dla i+1 wzor (1) ma postac:
Odejmujac od niego stronami rownanie (1) uzyskujemy zalenosc:
stad:
gdyz: xi+1 - xi = 1.
Jesli di >= 0 (wybieramy wtedy Pi+1 = Ti+1) to yi = yi + 1 i zalenosc
rekurencyjna (2) upraszcza sie do postaci:
a jeeli di < 0 (wybieramy wtedy Pi+1 = Si+1) to yi = yi i mamy:
Dla i = 0, ze wzoru (1) dostajemy wartosc poczatkowa zmiennej
decyzyjnej
d0 =2dy - dx
11. Algorym Bresenhama kreslenia okregu.
Zalozenia:
promien okregu R jest liczba naturalna, a jego srodek lezy w poczatku ukladu
wspolrzednych;
- osmiokierunkowy wybor piksela;
- ze wzgledu na symetrie okregu ograniczymy wyznaczanie piksela
tylko do 1/4 okregu (dla a = 1 wystarczy rozwazenie 1/8 okregu).
Rysowanie zaczynamy od piksela P0=(0,R), nastepne wyznaczamy zgodnie z
kierunkiem obrotu wskazowek zegara. Po znalezieniu piksela Pi, wybor nastepnego
Pi+1 ogranicza sie do jednego z trzech pikseli oznaczonych na rysunku literami A, B
lub C. Punkt Z, w ktorym wspolczynnik kierunkowy wektora stycznego:
jest rowny –1, dzieli cwiartke okregu na dwa wycinki:
- w wycinku 1: p^2 * x < q^2 *y- wybieramy piksel Pi+1 sposrod pikseli A i B
zwiekszajac kolejno wartosc x;
- w wycinku 2: p^2 *x >= q^2 *y - wybieramy piksel Pi+1 sposrod pikseli B i C
zmniejszajac kolejno wartosc y.
Wybor piksela leacego bliej okregu (A czy B lub B czy C) dokonujemy wyznaczajac
wartosci f(x,y) dla odpowiednich wspolrzednych x i y. Sposob nie efektywny – dziala
na liczbach rzeczywistych. W przypadku krzywych opisanych rownaniem wyszego
stopnia zloony obliczeniowo. Wygodniej zastosowac inne kryterium wyboru - von
Akenema.
12. Modelowanie powierzchni metoda Coonsa.
Metoda ta zaklada, ze dane sa cztery odpowiednio przecinajace sie krzywe
definiujace brzeg wycinka powierzchni. Niech wycinek powierzchni S(u,v) bedzie
znormalizowany do kwadratu jednostkowego,
1
0
≤
≤
u
i
1
0
≤
≤
v
. Krzywe brzegowe
mozna wowczas przedstawic jako P(u,0), P(u,1), P(0,v) i P(1,v). Wycinek powierzchni
Coonsa buduje sie interpolujac jej przeciwlegle brzegi.
13.Modelowanie krzywych i powierzchni funkcja Beziera.
Krzywe Beziera definiujemy przez lamana kontrolna o N+1 wierzcholkach P
0
, P
1
,…, P
N
.
Poczatkowy i koncowy punkt lezacy na krzywej pokrywa sie z pierwszym i ostatnim
punktem kontrolnym. Krzywe Beziera sa styczne do lamanej kontrolnej w punkcie
poczatkowym i koncowym. Umozliwia to laczenie ze soba krzywych i powierzchni
Beziera z zachowaniem ciaglosci klasy C
1
polaczenia. Powierzchnia Beziera jest
powierzchnia parametryczna S(u, v) wyznaczona na podstawie siatki punktow
kontrolnych, zwanej grafem kontrolnym okreslonej wg. odpowiedniego wzoru.
Powierzchnia Beziera jest iloczynem tensorowym krzywych Beziera krzywych
wiekszosc wlasnosci krzywych Beziera przenosi sie rowniez na powierzchnie.
Powierzchnia:
Krzywa:
Wlasciwosci krzywych i powierzchni Beziera:
- nie przechodza przez wszystkie punkty kontrolne
- krzywe pozostaja w wypuklej czesci lamanej kontrolnej, a powierzchnie leza w
powloce wypuklej grafu kontrolnego
- nie umozliwiaja lokalnej kontroli ksztaltu. Punkty kontrolne maja wplyw nie tylko na
punkty lezace w najblizszym otoczeniu, lecz takze na punkty na calej dlugosci
krzywej lub powierzchni. Przesuniecie dowolnego punktu kontrolnego powoduje
zmiane polozenia wszystkich punktow tworzacych krzywa lub powierzchnie
- dla N punktow kontrolnych generowana jest krzywa stopnia N-1. Wplywa to na
zlozonosc obliczeniowa algorytmow realizujacych operacje na krzywych i
powierzchniach
14. Modelowanie krzywych i powierzchni funkcjami B-sklejanymi.
Krzywe i powierzchnie B-sklejane maja ta wlasnosc, ze umozliwiaja lokalna kontrole
ksztaltu generowanej krzywej lub powierzchni tzn. ze modyfikacja pojedynczego
punktu kontrolnego zmienia ksztalt krzywej lub powierzchni tylko w odpowiednim
przedziale. Krzywe i powierzchnie B-sklejane definiowane sa na podstawie lamanych
lub grafow kontrolnych. Gladkosc powierzchni jest kontrolowana przez stopien k i l
bazowych funkcji B-sklejanych
15. Modelowanie krzywych i powierzchni funkcjami
ββββ
-sklejanymi.
Krzywe β-sklejane sa rozwinieta postacia krzywych B-sklejanych. Krzywe i
powierzchnie beta-sklejane umozliwiaja kontrole ksztaltu generowanych obiektow za
pomoca parametrow β1 i β2. β1 – wplywa na symetrie krzywej, β2 – kontroluje
stopien przylegania krzywej do lamanej kontrolnej. Parametry te moga byc
przedstawione w formie funkcji co umozliwia ciagla kontrole ksztaltu. Wada krzywych
i powierzchni β-sklejanych jest to, ze nie przechodza one przez punkty kontrolne,
nawet przez punkt poczatkowy i koncowy. Dla zapewnienia przejscia przez okreslony
punkt kontrolny nalezy do lamanej kontrolnej lub grafu dolozyc dodatkowy punkt o
odpowiednio dobranych wspolrzednych. Kontrola ksztaltu oraz transformacje moga
byc dokonywane lokalnie. Stopien bazowych funkcji
β
-sklejanych jest staly (3 dla
krzywych i 6 dla powierzchni).
Krzywe:
Powierzchnie:
gdzie:
−
0<=u<=1 i 0<=v<=1
−
i=2 do M-1 i j=2 do N-1
−
br i bs sa bazowymi funkcjami beta-sklejanymi
16. Metoda modelowania bryl za pomoca drzew osemkowych.
Jest to uogolnienie koncepcji opisu obszarow dwuwymiarowych za pomoca
drzew czworkowych na przypadek trojwymiarowy. W metodzie tej obiekt
przestrzenny wpisujemy w szescian, ktoremu odpowiada korzen drzewa
osemkowego. Szescian dzielimy na osiem mniejszych zwanych oktanami.
Jezeli oktant lezy calkowicie wewnatrz bryly, to odpowiadajacemu mu
wezlowi nadajemy wartosc „FULL”. Gdy caly oktant polozony jest na zewnatrz
bryly, to odpowiadajacemu mu wezlowi nadajemy wartosc „EMPTY”. Oktanty
niejednorodne, tylko czesciowo zawarte w bryle, dzielimy dalej na mniejsze,
az do uzyskania wszystkich oktanow jednorodnych lub mniejszych, rownych
ustalonej minimalnej wielkosci. Postepowanie konczymy rowniez w przypadku
uzyskania pozadanej dokladnosci.
17. Metoda modelowania bryl CSG
CSG (Constructive Solid Geometry) Metoda budowy bryl z ustalonych
podstawowych elementow przestrzennych (prymitywow). Zdefiniowane
operacje wykonywane na elementach podstawowych to dodawanie,
odejmowanie i iloczyn. Elementem podstawowym moze byc dowolny
wycinek przestrzeni, czyli zbior punktow przestrzenie spelniajacy nierownosc
0
)
,
,
(
≥
z
y
x
f
. Dowolna bryle opisuje sie drzewem, ktorego liscmi sa prymitywy
przestrzenne, a wezly wewnetrzne odpowiadaja dzialaniom na tych
prymitywach (dodawanie, odejmowanie, iloczyn) lub transformacjom (obrot,
przesuniecie, sklaowanie).
18. Metoda modelowania bryl poprzez zakreslanie przestrzeni
Przez pojecie zakreslania przestrzeni (ang. sleeping) rozumiemy budowanie bryly
przez przemieszczanie jej przekroju (plaskiej figury) wzdluz pewnej trajektorii.
Najprostszymi przykladami takiego postepowania jest przesuniecie rownolegle i
obrot wokol osi.
Szczegolnymi przypadkami obiektow utworzonych w wyniku przesuniecia
rownoleglego sa:
- prostopadloscian: figura zakreslajaca jest prostokat;
- walec : figura zakreslajaca jest kolo;
- graniastoslup : figura zakreslajaca jest wielobok;
Typowo, bryly obrotowe sa tworzone w wyniku obrotu plaskiej figury wokol osi o kat
360 stopni. Obracajac dowolna krzywa parametrycznie zaleznosciami x=x(t), y=y(t)
wokol osi y otrzymujemy powierzchnie o rownaniu: x=x(t)cos(u) , y=y(t), z=z(t)sin(u)
Przy czym u nalezy do[u1,u2].
Granice u1 i u2 przedzialu zmiennosci parametru u okreslaja polozenie krzywej w
przestrzeni i kat obrotu. Przykladowo, obracajac okrag o rownaniu:
X=R*rcos(t), y=sin(t), t nalezy do [0, 2*PI]
Wokol osi y, dla u nalezacego do [0, 1.5*PI] otrzymamy czesc torusa:
Generacja
bryly nastepuje w wyniku przemieszczania jej przekroju (plaskiej figury) wzdluz
pewnej trajektorii. Najprostszymi przykladami takiego postepowania jest przesuniecie
rownolegle i obrot wokol osi. W ogolnym przypadku tworzenia bryly obrotowej parametry
zwiazane z ta metoda moga sie zmieniac:
- zmiana polozenia punktow wyznaczajacych os obrotu
- figura zakreslajaca przestrzen moze byc przesuwana w dowolnym kierunku
- figura zakreslajaca przestrzen moze byc skalowana
- ksztalt figury zakreslajacej moze zmieniac sie podczas obrotu
19. Przeksztalcenia geometryczne w przestrzeni 3D
Przeksztalcenia
geometryczne w przestrzeni 3D odnosza sie do modyfikacji
nastepujacych atrybutow obiektu (lokalizacja, orientacja, rozmiar):
•
Translacja – zmiana lokalizacji (przesuniecie o wektor)
•
Skalowanie – zmiana rozmiaru
Skalowanie ze wspolczynnikiem S = <S
X
, S
Y
, S
Z
> P(P
X
S
X
, P
Y
S
Y
, P
Z
S
Z
)
•
Obrot – rotacja (zmiana orientacji)
Przeksztalcenia te zwane sa transformacjami punktowymi, poniewaz
realizowane sa na kazdym punkcie P obiektu.
20. Narysowac i opisac model rzutowania 3D
WEJsCIE: Modele obiektow 3D (uklad wspolrzednych obiektu)
1. Macierz modelowania sceny: (uklad wspolrzednych rzeczywistych – ziemskich)
-
Translacja
-
Skalowanie
-
Obrot
2. Macierz rzutowania: (uklad wspolrzednych plaszczyzny rzutowania)
-
Rzut perspektywiczny
-
Rzut ortogonalny
3. Przeksztalcenia normalizujace: (uklad wspolrzednych urzadzenia zobrazowania –
wspolrzedne pikselowe)
4. Definiowanie okna zobrazowania (uklad wspolrzednych obszaru zobrazowania –
wspolrzedne ekranowe)
WYJsCIE: obraz sceny w oknie zobrazowania.
21. Omowic na przykladzie funkcji biblioteki OpenGL rzutowanie
perspektywiczne
Rzut perspektywiczny nadaje realizm symulacjom i animacjom oraz imituje wrazenie
glebi obrazu. Wielkosc rzutu obiektu jest odwrotnie proporcjonalna do odleglosci
obiektu od srodka rzutowania. Rzuty tego typu nie nadaja sie jednak do
rejestrowania ksztaltu obiektu i dokonywania pomiarow (np. katy na ogol nie sa
zachowywane). Punkt zbieznosci dla peku prostych rownoleglych do danej osi
ukladu wspolrzednych, okreslamy jako osiowy punkt zbieznosci. W zaleznosci od
liczby istniejacych osiowych punktow zbieznosci rozrozniamy rzuty jedno-, dwu- i
(rzadko stosowane) trzy-punktowe. Liczba osiowych punktow zbieznosci zalezy od
tego ile osi ukladu wspolrzednych przecina rzutnia. Jezeli punkt centralny lezy na
ujemnej czesci osi Z i ma wspolrzedne <0,0,Cz>, a plaszczyzna rzutowania jest XY,
wowczas naszym obrazem punktu V=<Vx,Vy,Vz> jest punkt W=<Wx,Wy,0>, gdzie
z
z
x
x
C
V
V
W
−
=
1
z
z
y
y
C
V
V
W
−
=
1
,
22. Omowic na przykladzie funkcji biblioteki OpenGL rzutowanie
ortogonalne
Rzuty ortogonalne sa najprostszym rodzajem rzutow, dla ktorego obraz punktu jest
sladem normalnej do plaszczyzny rzutowania przechodzacej przez ten punkt. Jezeli
plaszczyzna rzutowania jest XY wowczas wspolrzednej Z przypisuje sie wartosc 0.
Macierz opisujaca taki rzut wyglada nastepujaco:
Tego typu rzutowanie okresla sie stosujac prostokatna lub szescienna bryle
rzutowania. Nic, co znajduje sie poza ta bryla nie jest rzutowane. Bryle rzutu okresla
sie podajac blizsza, dalsza, lewa, prawa, gorna i dolna plaszczyzne obcinania. Rzuty
te latwo uzyskac jednak nie daja one obrazow realistycznych chyba, ze obserwator
znajduje sie daleko od obiektu. Ten rodzaj rzutowania stosuje sie w projektowaniu
architektonicznym i programach CAD.
void glOrtho(GLdouble lewa, GLdouble prawa, GLdouble dolna,
GLdouble gorna, GLdouble blizsza, GLdouble dalsza).
Definiuje ona plaszczyzny przycinania, oraz wskazuje na wymiary jednostek miar,
uzywanych w rysowaniu. Kolejne argumenty tej funkcji to kolejno wspolrzedne lewa,
dolna, bliska, prawa, gorna, dalsza prostopadloscianu przyciania. Obserwator
znajduje sie w punkcie (0,0,0).
23. Jakie czynniki fizyczne wplywaja na wrazenie koloru? Podac
ich interpretacje na przykladzie wykresu rozkladu energii swiatla w
funkcji dlugosci fali.
Czynniki majace wplyw na wrazenie koloru:
barwa - fizycznie okresla ja dlugosc fali swietlnej (zakres widzialnosci dla czlowieka
wynosi od 400 do 700 nm).Barwa zalezy od wartosci na osi poziomej.
jasnosc - okresla ja wielkosc energii zwiazanej z promieniowaniem (nie ma zadnych
ograniczen – jesli jest bardzo duza, moze spowodowac uszkodzenie oka).
Jasnosc zalezy od wartosci na osi pionowej.
nasycenie - stosunek roznicy energii dla dominujacej fali swietlnej (e
2
) i wypadkowej
energii dla wszystkich pozostalych dlugosci fali (e
1
) podzielona przez
wartosc energii dla dominujacej fali swietlnej (e
2
), czyli (e2 – e1) / e2.
Nasycenie (czystosc) barwy jest tym wieksze, im wieksza jest wartosc e
2
w
stosunku do e
1
. Dla e
2
= e
1
mamy nasycenie zerowe, gdy zas e
1
=0,
nasycenie wynosi 100%. Nasycenie fizycznie odpowiada ilosci fal o roznej
dlugosci skladajacych sie na dany kolor.
Ponizszy rysunek przedstawia wykres rozkladu energii swiatla w funkcji dlugosci
fal promieniowania widzialnego.
e
2
- oznacza poziom dominujacej skladowej swiatla
e
1
- wypadkowy poziom wszystkich pozostalych, dajacych swiatlo biale
Nasycenie (czystosc) barwy jest tym wieksze, im wieksza jest wartosc e
2
w stosunku
do e
1
. Dla e
2
= e
1
mamy nasycenie zerowe, gdy zas e
1
=0, wynosi ono 100%.
Przecietnie czlowiek rozroznia ok. 150 czystych barw widma slonecznego
24. Omowic model koloru CIE La*b*. W jakim zakresie definiuje sie
parametry tego modelu
Opracowany przez Miedzynarodowa Komisje Oswietleniowa (CIE) model barw CIE
La*b* jest najwazniejszym modelem w odniesieniu do grafiki komputerowej.
Opisywane barwy mieszaja sie w elipsoidzie o trzech prostopadlych osiach. Wzdluz
osi a barwy przechodza od zielonej do czerwonej, wzdluz osi b od zoltej do
niebieskiej, w punkcie zbiegu jest biel (szarosc). Wzdluz osi pionowej L okreslajacej
jasnosc, biegna barwy achromatyczne - od bieli do czerni.
Barwy objete w kuli CIE La*b* tworza najszersza game barw, model zostal
opracowany na bazie modelu CIE Yxy.Zastosowana transformacja wspolrzednych
umozliwia latwiejsze wyliczenie odleglosci pomiedzy dwoma barwami w przestrzeni.
Kazdy inny model barw da sie opisac we wspolrzednych Lab, ale nie na odwrot.
Czyni to model ten niezaleznym od urzadzen wejscia/wyjscia. Model wykorzystywany
jest do obliczen na barwach przez systemy zarzadzania barwami CMS.
25. Omowic modele RGB i CMY. Podac rownanie konwersji RGB ->
CMY
RGB – 3 barwy podstawowe: czerwony, zielony i niebieski (Red, Green, Blue) –
odpowiadaja sprzetowemu sposobowi generowania kolorow w monitorze
rastrowym. W modelu RGB wszystkim mozliwym do uzyskania barwom odpowiadaja
punkty szescianu jednostkowego, rozpietego na osiach barw podstawowych.
Poczatek ukladu (0,0,0) reprezentuje barwe czarna, wierzcholki szescianu lezace na
osiach barwy podstawowe, a przeciwlegle do nich wierzcholki barwy dopelniajace.
Przekatna (0,0,0)
(l,l,l) odpowiada roznym poziomom szarosci, od bialego do
czarnego. Model ten opisuje addytywny proces otrzymywania barw w wyniku
dodawania (mieszania) w roznych proporcjach trzech barw podstawowych.
CMY – barwy podstawowe: zielono-niebieska
(Cyan),
karmazynowa
(Magneta)
i
zolta
(Yellow). Stanowia one dopelnienia barw
czerwonej, zielonej i niebieskiej i sa nazywane
podstawowymi barwami substraktywnymi, gdyz
usuwaja poprzednie podstawowe barwy ze swiatla bialego – wypadkowa
pozostalych odbitych skladnikow odbieramy jako dana barwe. Model CMY jest
substraktywny i sluzy do okreslenia kolorow rysunkow na ploterach i drukarkach.
Mozna przedstawic go w postaci szescianu jednostkowego. Osie ukladu
odpowiadaja barwom zielono-niebieskiej, karmazynowej i zoltej. Punkt (0,0,0) okresla
barwe biala, maksymalne (rowne l) skladowe barw podstawowych daja barwe
czarna (1,1,1). W praktyce nie absorbuja one lacznie wszystkich dlugosci widzialnych
fal i swiatlo odbite od powierzchni pokrytej tymi trzema kolorami odbieramy jako
ciemnoszare. Dlatego stosuje sie druk czterobarwny, dodatkowo uzywajac czarnej
farby.
Rownanie konwersji RGB
CMY
C = 1 - R
M = 1 – G
Y = 1 - B
Yellow
26. Omowic model koloru CMYK. Podac rownanie konwersji CMY -
>CMYK
CMYK - (Cyan, Magenta, Yellow, Key – Black) – Model ten wykorzystuje zasade
substraktywnego mieszania barw i jest szeroko stosowany w poligrafii.
Przejscie z CMY->CMYK (bezwzgledne obliczenia roznic dla skladowych C, M, Y):
C = C − k * min(C, M, Y )
M = M − k * min(C, M, Y )
Y = Y − k * min(C, M, Y )
K = k * min(C, M, Y )
Gdzie k – wspolczynnik regulacji kontrastu o wartosciach z zakresu <0;1>, najczesciej ma wartosc 1
Aby przejsc od modelu CMYK do CMY nalezy wykorzystac zaleznosc(by zorski):
{C,M,Y} = {C(1-K)+K, M(1-K)+K, Y(1-K)+K}.
27. Narysowac i opisac model koloru HLS. W jakim zakresie
definiuje sie parametry tego modelu.
Kazdy kolor definiuje sie za pomoca trzech wielkosci :
H – barwa
(ang. Hue)
L – jasnosc
(ang. Lightness)
S – nasycenie (ang. Saturation)
(H) Barwa – zwiazana bezposrednio z dlugoscia fali promieniowania widzialnego. Jest ona
reprezentowana za pomoca okregu (0
o
- 360
o
)
3 kolory podstawowe (R,G,B) i 3 dopelniajace (cyan, magenta, yellow) rozmieszczone sa na
okregu tworzac szesciokat regularny, 0
o
– czerwony, 120
o
– zielony, 240
o
– niebieski, barwy
dopelniajace dla danej otrzymujemy przez zwiekszenie kata o 180
o
(L) Jasnosc - zwiazana ze skala kolorow achromatycznych, definiuje wszystkie odcienie
szarosci
wartosci od 0 (kol. czarny) do 1 (kol. bialy)
(S) Nasycenie – ilosc fal o roznej dlugosci skladajacych sie na jeden kolor
kolor czysty, lub w pelni nasycony, to 1
kolor szary utworzony za pomoca fali o szerokim przedziale dlugosci 0
Barwa w modelu HLS jest wyrazana jako czesc ulamkowa jednostkowego kata pelnego.
Dzieki temu wszystkie kolory moga byc definiowane wektorem o skladowych <H,L,S> ktorych
wartosci naleza do przedzialu <0;1> Przyklad:
Red = <0.25, 0.5, 1> itd. dla pozostalych kolorow.
Model HLS mozemy przedstawic jako podwojny stozek:
Barwa (H) mierzona jako wartosc kata wokol osi L Jasnosc (L) okreslona jest jako wspolrzedna
na pionowej osi L
Nasycenie (S) mierzymy jako odleglosc od osi pionowej
28. Narysowac i opisac model koloru HSV. W jakim zakresie
definiuje sie parametry tego modelu
Model zostal zaprezentowany przez Smitha, a znany jest jako model HSV od angielskich
okreslen:
barwy (Hue)
nasycenia (Saturation)
wartosci (Value).
Model ten czesto nosi nazwe HSB, gdzie B oznacza jaskrawosc. Przedstawia sie go w postaci
ostroslupa prawidlowego o podstawie szesciokatnej. Wierzcholki podstawy odpowiadaja
barwom spektralnym, wierzcholek ostroslupa odpowiada barwie czarnej, a spodek wysokosci
barwie bialej.
Barwa mierzona jest katem
β
wokol osi V:
β
=0 dla barwy czerwonej;
β
=120 dla barwy zielonej;
β
=240 dla barwy niebieskiej.
Barwe dopelniajaca do danej otrzymuje sie przez zwiekszanie
β
o 180. Wartosc
nasycenia okresla wzgledna odleglosc punktu od pionowej osi , dla punktow lezacych na osi
V wartosc nasycenia jest rowna zero, a dla punktow lezacych na trojkatnych scianach
ostroslupa wartosc nasycenia wynosi jeden. Barwa ma najmniejsza wartosc V=0 w
wierzcholku ostroslupa, maksymalna wartosc V=1 osiaga w punktach podstawy. Okreslanie
barwy uzytkownik moze rozpoczac od podania kata
β
i V=S=1; wybiera on tym samym czysta
barwe spektralna. Nastepnie sciemnia ja ( dodaje barwe czarna zmniejszajac odpowiednio
wartosc V) lub rozjasnia ( dodaje barwe biala zmniejszajac wartosc nasycenia S).
29. Operacje w przestrzeni kolorow RGB
zmiana jasnosci
filtr kolorowy
zwiekszenie kontrastu
utrata ostrosci
wygladzanie (smoothing)
uwypuklenie (relief)
redukcja liczby barw
zmiana nasycenia
zmiana barwy
przejscie na obraz monochromatyczny
progowanie
fotoinwersja
32. Podstawowy empiryczny model oswietlenia
Model lokalny - rozpatruje wplyw pierwotnych zrodel swiatla na oswietlenie powierzchni.
Model globalny - uwzglednia zarowno pierwotne jak i wtorne zrodla swiatla.
modele empiryczne oswietlenia uwzgledniaja jedynie pierwotne zrodla swiatla i wprowadzaja
empiryczny, staly wspolczynnik, kompensujacy w pewnym stopniu – brak obliczen dla
wtornych zrodel swiatla (lambertowska charakterystyka swiatla odbitego). Analiza
rozchodzenia sie swiatla w srodowisku ogranicza sie do tlumienia jego energii proporcjonalnie
do odleglosci pomiedzy powierzchnia odbijajaca a obserwatorem;
I – intensywnosc swiatla odbitego od powierzchni;
I
α
– intensywnosc swiatla rozproszonego posredniego (z wtornych zrodel)
K
α
– wspolczynnik odbicia rozproszonego posredniego swiatla (z wtornych zrodel)
Ii – intensywnosc i-tego pierwotnego zrodla swiatla
K
d
– wspolczynnik odbicia rozproszonego bezposredniego swiatla (z pierwotnych zrodel)
i - numer pierwotnego zrodla
αi - kat pomiedzy wektorem normalnym do powierzchni a kierunkiem padania swiatla;
D – odleglosc oswietlanej powierzchni od obserwatora
K – arbitralnie dobierana stala zapewniajaca najlepszy efekt wizualny
Te wspolczynniki k – to sa charakterystyczne dal danej powierzchni i przyjmuja wartosci z
przedzialu <0,1> .
Interpretacja geometryczna
Oznaczenia przyjete w empirycznym modelu oswietlenia:
N – wektor prostopadly do powierzchni
L – wektor w kierunku zrodla swiatla
R – wektor w kierunku swiatla odbitego
S – wektor w kierunku oka obserwatora;
33. Model oswietlenia Phonga
modele przejsciowe oswietlenia:
Model Phonga – bardziej skomplikowany, uwzglednia drugi rodzaj odbicia – odbicie
kierunkowe (zwierciadlane)
Zludzenie odblasku swiatla na powierzchni obiektow.
Stozek dla powierzchni matowych wezszy niz dla blyszczacych
k
S
–wspolczynnik odbicia kierunkowego;
n – wspolczynnik definiujacy wlasciwosci lustrzane powierzchni; decyduje o srednicy
stozka pokazanego na rysunku powyzej. Im bardziej matowa powierzchnia, tym n i podstawa
stozka jest mniejsza, co daje mniejszy kat odbicia kierunkowego.
σ
i
– kat pomiedzy kierunkiem odbicia a kierunkiem widzenia powierzchni;
Znaczenie pozostalych symboli jest identyczne jak w pytaniu 37.
34. Model oswietlenia Halla
modele symulacyjne:
Model Halla – uwzglednia nie tylko zrodla pierwotne i wtorne, uwzgledniaja przezroczystosc
wizualizowanych obiektow. Uwzgledniano w tym modelu zaleznosc intensywnego odbitego
swiatla oraz wspolczynnikow odbicia od dlugosci fali λ. Opis zachowania sie swiatla na
granicy dwoch osrodkow – opisuja wprowadzone wspolczynniki Fresnela Fs(λ) i Ft(λ).
lambda - dlugosc fali swiatla
I(lambda) - intensywnosc swiatla odbitego od powioerzchni w kierunku
obserwatora
Ia - stala intensywnosc swiatla otaczajacego
Ii - intensywnosc i-tego zrodla swiatla
Is - oswietlenie posrednie z kierunku, w ktorym promien zostal odbity
It - oswietlenie posrednie z kierunku, w ktorym promien zostal zalamany
ALFAi - kat pomiedzy wektorem normalnym do pow. (N), a kierunkiem padania
swiatla
FIi - kat pomiedzy wektorem normalnym do mikropowierzchni odbijajacej (H) a
wektorem (N)
FIi' - kat pomiedzy wektorem normalnym do mikropowierzchni zalamujacej (H') a
wektorem (N)
Ts^ds - wspolczynnik transmisji osrodka, w ktorym poruszal sie promien odbity,
podniesiony do potegi rownej odleglosci, ktora promien przebyl w osrodku
Tt^dt - wspolczynnik transmisji osrodka, w ktorym poruszal sie promien zalamany,
podniesiony do potegi rownej odleglosci, ktora promien przebyl w osrodku
kd - wspolczynnik zwiazany z powierzchnia, okreslajacy ilosc swiatla
rozproszonego
ks - wspolczynnik zwiazany z powierzchnia, okreslajacy ilosc swiatla kierunkowo
odbitego
kt - wspoplczynnik zwiazany z powierzchnia, okreslajacy ilosc swiatla kierunkowo
zalamanego
ka - wspolczynnik okreslajacy ilosc swiatla otaczajacego odbitego od
powierzchni
n - wspolczynnik okreslajacy wlasciwosci mikropowierzchni odbijajacej
n' - wspolczynnik okreslajacy wlasciwosci mikropowierzchni zalamujacej
35. Rownanie renderingu (wizualizacji)
Sformalizowanie zalozen dotyczacych modelu odbicia doprowadzily do powstania
Rownania wizualizacji (renderingu – Kajiya 1986)
Rownanie wizualizacji – propagacja energii swietlnej, oparte na rownaniu transferu ciepla i
przeplywu energii droga promieniowania. Wielokrotne rozwiazanie rownania wizualizacji dla
kazdego punktu powierzchni prowadzi do syntezy obrazu realistycznego:
Gdzie:
I(x, x’) – suma intensywnosci swiatla emitowanego i odbijanego w punkcie x’ w
kierunku x
g(x, x’) – czynnik geometryczny
e(x, x’) – emisja swiatla z punktu x’ w kierunku x
p(x, x’, x’’) – wspolczynnik odbicia kierunkowego swiatla I(x, x’) w punkcie x; kierunek
padania swiatla okresla polozenie punktu x’’, natomiast kierunek odbicia wyznacza
lokalizacje punktu x
Blue